Типы аккумуляции и пути расходования энергии в биосистемах

Типы аккумуляции и пути расходования энергии в биосистемах. Термодинамическое сопряжение экзергонической и эндергонической стадий биопроцессов; приведите примеры.

В процессе энергетического метаболизма происходит аккумуляция энергии, полученной в результате окислительно-восстановительных превращений субстратов в такую форму, которая может быть использована для роста клеток и осуществления всех их функций.

Основными типами аккумуляции энергии в клетки являются:

1. трансмембранная разность электрохимических потенциалов ионов.

2. макроэргические химические соединения.

Поступление веществ в организм происходит в результате дыхания (кислород) и питания. В ЖКТ продукты питания расщепляются до простых веществ. При расщеплении происходит гидролиз полимеров (белков, полисахаридов и других сложных органических веществ) до мономеров, всасывающихся в кровь и включающихся в промежуточный обмен.

Промежуточный обмен (внутриклеточный метаболизм) включает 2 типа реакций: катаболизм и анаболизм.

1. Катаболизм - процесс расщепления органических молекул до конечных продуктов. Реакции катаболизма сопровождаются выделением энергии (экзергонические реакции).

2. Анаболизм объединяет биосинтетические процессы, в которых простые строительные блоки соединяются в сложные макромолекулы, необходимые для организма. В анаболических реакциях используется энергия, освобождающаяся при катаболизме (эндергонические реакции).

Процессы катаболизма в клетках животных сопровождаются потреблением кислорода, который необходим для реакций окисления. В результате этих реакций происходит освобождение энергии, которая необходима организмам в процессах жизнедеятельности для осуществления различных видов работы.

Живые организмы с точки зрения термодинамики - открытые системы. Между системой и окружающей средой возможен обмен энергии, который происходит в соответствии с законами термодинамики.

· Первый закон - закон сохранения энергии; его можно сформулировать так: общая энергия системы и окружающей среды - величина постоянная.

· Второй закон гласит, что все физические и химические процессы в системе стремятся к необратимому переходу полезной энергии в хаотическую, неуправляемую форму. Мерой перехода или неупорядоченности системы служит величина, называемая энтропией (S), она достигает максимума, когда система приходит в истинное равновесие с окружающей средой.

Направление химической реакции определяется значением ΔG. Если эта величина отрицательна, то реакция протекает самопроизвольно и сопровождается уменьшением свободной энергии. Такие реакции называют экзергоническими. Если при этом абсолютное значение ΔG велико, то реакция идёт практически до конца, и её можно рассматривать как необратимую.

Если ΔG положительно, то реакция будет протекать только при поступлении свободной энергии извне; такие реакции называют эндергоническими.

Если абсолютное значение ΔG велико, то система устойчива, и реакция в таком случае практически не осуществляется. При ΔG, равном нулю, система находится в равновесии.

В клетках самопроизвольно протекают только те химические процессы, которые приводят к уменьшению свободной энергии системы.

В биологических системах термодинамически невыгодные (эндергонические) реакции могут протекать лишь за счёт энергии экзергонических реакций. Такие реакции называют энергетически сопряжёнными. Многие из этих реакций происходят при участии аденозинтрифосфата (АТФ), играющего роль сопрягающего фактора. Сопряжение двух реакций возможно при наличии общего промежуточного продукта.

Например, фосфорилирование глюкозы. Реакция фосфорилирования глюкозы свободным фосфатом с образованием глюкозо-6-фосфата является эндергонической:

(1) Глюкоза + Н₃РО₄ → Глюкозо-6-фосфат + Н₂О (ΔG = +13,8 кДж/моль).

Для протекания такой реакции в сторону образования глюкозо-6-фосфата необходимо её сопряжение с другой реакцией, величина свободной энергии которой больше, чем требуется для фосфорилирования глюкозы.

(2) АТФ → АДФ + Н₃РО₄

(ΔG = -30,5 кДж/моль).

При сопряжении процессов (1) и (2) в реакции, катализируемой гексокиназой фосфорилирование глюкозы, легко протекает в физиологических условиях; равновесие реакции сильно сдвинуто вправо, и она практически необратима:

(3) Глюкоза + АТФ → Глюкозо-6-фосфат + АДФ (ΔG = -16,7 кДж/моль).

Пример 2, реакции с участием глутаминсинтетазы. Сначала концевая фосфатная группа переносится с АТФ на глутамат с образованием высокоэнергетического смешанного ангидрида. Далее фосфатная группа промежуточного продукта вытесняется NH₃ с образованием глутамина и свободного фосфата. Баланс и величина ΔG^o' суммарной реакции соответствуют сумме балансов и значений свободных энергий отдельных реакций.

Биологические мембраны содержат «ионные каналы», по которым отдельные ионы избирательно проникают через мембрану. Проницаемость и полярность мембраны зависят от электрохимического градиента, т. е. от концентраций ионов по обе стороны мембраны (концентрационного градиента) и от разности электрических потенциалов между внутренней и внешней сторонами мембраны (мембранного потенциала). На внутренней стороне плазматической мембраны преобладает избыток отрицательных зарядов. Потенциал покоя обеспечивается, прежде всего, катионами Na⁺ и K⁺, а также органическими анионами и ионом Cl^-. Распределение ионов между внешней средой и внутренним объемом клетки описывается уравнением Нернста:

=D ψ_G

где ΔΨ_G — трансмембранный потенциал (в вольтах, В), т.е. разность электрических потенциалов между двумя сторонами мембраны при отсутствии транспорта ионов через мембрану (потенциал равновесия).

Ионы гидроксония («H⁺-ионы») также могут формировать электрохимический градиент. свободная энергия переноса протона (разность между электрохимическими потенциалами протонов на двух сторонах мембраны) зависит от градиента концентрации, т. е. от разности рН (ΔpH) по ту и другую стороны мембраны. Кроме того, определенный вклад вносит и трансмембранный потенциал ΔΨ. Обе эти величины формируют протондвижущую силу Δp, являющуюся мерой работы ΔΨ_G , которую может совершать H⁺-градиент.

Образование протонного градиента в дыхательной цепитакже сопряжено с окислительно-восстановительным процессом:

Механизм регуляции образования и потребления АТФ называется дыхательным контролем. Он основан на сопряжении упомянутых процессов с общими коферментами и другими факторами. В отсутствие АДФ АТФ-синтаза не в состоянии использовать протонный градиент на внутренней митохондриальной мембране. Это в свою очередь тормозит электронный перенос в дыхательной цепи, вследствие чего НАДН не может быть вновь окислен в НАД⁺. Возникающее в результате высокое соотношение НАДН/НАД⁺ тормозит цитратный цикл. И наоборот, высокие скорости потребления АТФ стимулируют усвоение пищи и дыхательную цепь по тому же механизму.

Если создание протонного градиента подавлено, процессы окисления субстрата и переноса электронов протекают значительно быстрее, чем обычно. При этом вместо синтеза АТФ выделяется тепло.

 

 

Термодинамическая характеристика анаэробного распада глюкозы. Расчет КПД.

С6Н1206 + 2 Н3Р04 + 2 АДФ = 2 С3Н6О3 + 2 АТФ + 2 Н2O. При анаэробном гликолизе в цитозоле протекают все 10 реакций, идентичных…

Баланс АТФ при анаэробном гликолизе

 

Анаэробная фаза дыхания (гликолиз)

Дальнейшие реакции, составляющие процесс гликолиза, складываются следующим образом: фруктозо-1,6-дифосфат расщепляется с образованием двух триоз,…   Молекула фосфодиоксиацетона при участии фермента триозофосфатизомеразы превращается также в 3-фосфоглицериновый…

Термодинамическая характеристика окисления ПВК в цикле Кребса. Ресчет КПД.

Характер изменения энтропии, имеющий решающее значение при оценке процессов в неживых системах, в случае биологических систем имеет лишь подчиненное… Все биохимические процессы, происходящие в клетках в условиях постоянства…

Значение окислительного декарбоксилирования пирувата

Регуляция общего пути катаболизма

Суммарная концентрация адениловых нуклеотидов в клетке постоянна, но относительные концентрации могут изменяться вследствие их взаимопревращений. Во… Для оценки влияния система адениловых нуклеотидов на метаболические процессы…

Термодинамика полного окисления глюкозы. Расчет биологического окисления глюкозы.

Энергетический обмен

Первый этап — подготовительный. Пища поступает в организм животных и человека в виде сложных высокомолекулярных соединений. Прежде чем поступить в… На первом этапе происходит гидролитическое расщепление органических веществ,… Реакции подготовительного этапа:

Этапы унификации энергетических субстратов в процессах катаболизма.

Наиболее важный процесс деградации жирных кислот – β – окисление, которое происходит в митохондриях. При этом жирные кислоты активируются в… Таким образом, β – окисление тесно связано с ЦТК и дыхательной цепью. Так… При β – окислении пальмитиновой кислоты происходит 7 циклов; в итоге 35 молекул АТФ.

Современное представление о строении и переносе электронов в дыхательной цепи митохондрий.

I комплекс – НАДН2:CoQ-оксидоредуктаза (ФМН-зависимая, с FeS-центрами). Принимает на стороне митохондриального матрикса 2 Н (2 e + 2 p) от НАДН2,… II комплекс – сукцинат-дегидрогеназа (ФАД-зависимая, с FeS-центрами),… III комплекс – CoQН2:cyt c-оксидоредуктаза (с FeS-центром; включает в себя убихинон, FeS-белок и цитохромы b, c1, c),…

Современные представления о механизме сопряжения окисления и фосфорилирования в биосистемах.

Сторонники химической гипотезы, к которым относилось подавляющее число исследователей, отталкивались от прецедента субстратного фосфорилирования,… Конформационная гипотезаопиралась на представление о том, что процесс… Затем появилась альтернативная гипотеза, получившая название хемиосмотической. В 1961 году английский биохимик П.…

Суть гипотезы Митчела можно выразить следующей схемой

Схема окислительно-восстановительного процесса и возникновения электрохимического потенциала на сопрягающей мембране: 1 – цитоплазма, 2 – матрикс, 3… Участок мембраны, приведенный на левом рисунке, указан кружком на правом.… Ψ = φ + RT/F·ln [H]e/[H]i= φ + 2,3·RT/F·lg [H]e/[H]i = φ - 0,06·ΔрН

Схема устройства этого фермента

Гидрофобный комплекс F0 содержит 1 субъединицу a, 2 субъединицы b и около 10 мелких субъединиц с. Входной протонный канал, ориентированный в сторону кислого цитоплазматического пространства, находится между субъединицами а и с. В нативной структуре, однако, сквозной проход протона в щелочную область матрикса митохондрии перекрыт элементами комплекса F1, и протоны могут продвигаться насквозь лишь при взаимном перемещении субъединиц. Шляпка комплекса F1, имеющего гидрофильную поверхность, состоит из 3α субъединиц, чередующихся с 3β субъединицами, образуя сфероид диаметром около 10 нм и высотой 8 нм. Этот сфероид в целом неподвижен за счёт связи через субъединицу δ с субъединицей в, сердцевина же шляпки (субъединица γ с регулятором активности комплекса ε) способна вращаться вокруг оси, перпендикулярной плоскости мембраны. Однако, выходной протонный канал, обращённый в щелочную среду матрикса, открывается только при наличии всех необходимых субстратов для синтеза АТФ. На «холостое» вращение «ротора» протоны не тратятся! Многие детали работы этой молекулярной машины пока неизвестны, но в общих чертах это выглядит так. Протоны, проникая к основанию комплекса F1 через входной канал комплекса F0, контактирующий с «кислой» средой цитоплазмы, протонируют карбоксильные группы аминокислот белка субъединицы с (это аспарагин и аргинин). Взаимодействие и обмен протонами между соседними единицами с и а вызывает конформационную перестройку структуры белков,результатом которой является поворот подвижной части F1 (предположительно совместно с субъединицей с) скачком на 120º на каждую пару вошедших протонов. Предполагается, что поступившие в ферментный комплекс протоны принимают участие в протонировании аминокислот β субъединиц, что вызывает в них конформационные переходы, сопровождающиеся изменением их сродства к участникам реакции фосфорилирования (АДФ, Ф, АТФ). В частности, установлено, что синхронно с вращением «роторной» части комплекса происходит протонирование субъединицы β и ассоциация её с АДФ и Ф,затем конденсация этих субстратов с образованием АТФ и Н2О, сильно связанных с субъединицей, и на следующем этапе – депротонирование субъединицы с высвобождением протонов в щелочную среду матрикса. Последний этап конформационного перехода сопровождается резким уменьшением сродства β субъединицы к АТФ (примерно на 6 порядков!) и отщеплением продуктов фосфорилирования. Стехиометрия процесса такова, что на каждый скачок в повороте ротора синтезируется 1 молекула АТФ, а на один полный оборот соответственно - 3 молекулы. В нормальных физиологических условиях ротор может совершать до 17 оборотов в секунду, обеспечивая скорость синтеза около 50 молекул АТФ в одном комплексе в секунду.Разумеется, синтез АТФ идёт за счёт высокого сродства сопря-гающей реакции трансмембранного переноса протона, но как организован процесс сопряжения? Как показали измерения, в активном центре ферментного комплекса реакция синтеза АТФ

АДФ + Ф + Н+ = АТФ + Н2О

находится в термодинамическом равновесии. Это невозможно в водном растворе. Но в активном центре комплекса F0F1, конформационные изменения, вызванные пртонированием, приводят к двоякому преобразованию сродства: дегидратация отрицательно заряженных реагентов АДФ и Ф, которая в водной среде понижала их свободную энергию и, возможно, их принудительное сближение против сил их электростатического отталкивания (величина этой «энтальпийной» части сопряжения пока неизвестна) и главное уменьшению активности продуктов реакции. Сильное связывание АТФ и, возможно, связывание или выброс воды из реакционного центра резко уменьшают вероятность обратной реакции. Это типичный пример «энтропийного» механизма сопряжения. При этом основная часть электрохимического потенциала протонов затрачивается на дегидратацию АДФ и Ф и на выведение АТФ из активного центра в водную фазу. В ней АТФ становится макроэргом, но самопроизвольно гидролизоваться до АДФ и Ф не может в отсутствие необходимого фермента. Иначе говоря, участники сопрягаемой реакции, невыгодной в водной среде, переносятся в специально организованную полость активного центра фермента, где она становится энергетически возможной, а свободная энергия сопрягающего процесса передаётся на конформационные степени свободы фермента и тратится на совершение работы по захвату и высвобождению участников реакции.

Таким образом, конформационная гипотеза, хотя и в сильно изменённом виде, также нашла своё место в теории окислительного фосфорилирования. Если хемиосмотическая гипотеза объяснила термодинамику сопряжения окисления и фосфорилирования, то конформационная гипотеза объяснила молекулярный механизм реализации протонного потенциала в химической реакции синтеза АТФ.

 

Разнообразие механизмов образование АТФ и их вклад в энергетику клетки.

В упрощенном виде ресинтез АТФ аэробным путем может быть представлен схемой:   По сравнению с другими идущими в мышечных клетках процессами ресинтеза АТФ аэробный ресинтез имеет ряд преимуществ. Он…

Анаэробные пути ресинтеза АТФ

Анаэробные пути ресинтеза АТФ являются дополнительными способами образования АТФ в тех случаях, когда основной путь получения АТФ - аэробный - не может обеспечить мышечную деятельность необходимым количеством энергии.

Креатинфосфатный путь ресинтеза АТФ (офеатинкиназный, алактатный)

  Эта реакция катализируется ферментом креатинкиназой. В связи с этим данный… Главными преимуществами креатинфосфатного пути образования АТФ являются очень малое время развертывания и высокая…

Гликолитический путь ресинтеза АТФ

Итоговое уравнение анаэробного расщепления гликогена имеет следующий вид:   Гликолитический способ образования АТФ имеет ряд преимуществ перед аэробным путем. Он быстрее выходит на максимальную…

Различные типы электрон-транспортных путей в живых организмах. Их роль в биоэнергетике клетки.

У прокариот ЭТЦ локализована в ЦПМ, у эукариот — на внутренней мембране митохондрий. Переносчики расположены по своему… Протонный потенциал преобразуется АТФ-синтазой в энергию химических связей…

Электронтранспортные цепи митохондрий эукариот

Комплекс II (Сукцинат дегидрогеназа) не перекачивает протоны, но обеспечивает вход в цепь дополнительных электронов за счёт окисления сукцината. Комплекс III (Цитохром bc1 комплекс) переносит электроны с убихинола на два… Комплекс IV (Цитохром c оксидаза) катализирует перенос 4 электронов с 4 молекул цитохрома на O2 и перекачивает при…

Электронтранспортные цепи бактерий

Донором электрона помимо органического вещества у бактерий могут выступать молекулярный водород, угарный газ, аммоний, нитрит, сера, сульфид,… ЭЦП фотосинтеза. Линейный поток электронов происходит по так называемой Z-схеме. Поглощение кванта света свето-собирающим комплексом…

Биофизика фотосинтеза

Фотосинтез отличается от остальных фотохимических процессов тем, что он приводит к аккумулированию энергии света в виде свободной энергии химических… Основная продукция фотосинтеза - это соединения с высоким восстановительным… 6CO2 + 6H2O + Nhν = 6O2 + C6H12O6 + ∆G,

Квантовый расход фотосинтеза для одноклеточных водорослей в лабораторных условиях составляет 8-12 квантов на молекулу CO2.

Абсолютное значение максимального квантового выхода характеризует число квантов, необходимых для выделения одной молекулы О2. Количественные данные…